[发明专利]一种具有高开路电压的全铁络合液流电池

说明书

技术领域

本发明涉及一种具有高开路电压的全铁络合液流电池，是一种正、负两极电解液均采用铁络合物水溶液，提高液流电池开路电压的全铁络合液流电池。

背景技术

氧化-还原液流电池将电能储存在具有氧化-还原反应活性的电解液中，是一种新兴的大规模储能技术。它具有启动速度快、储能容量大、能量效率高、安全可靠等优点，可以广泛用于可再生能源发电系统的储能及电源调峰。

电解液是决定液流电池储能容量、效率、成本和稳定性的关键技术。目前采用的电解液体系主要分为：

（1）正、负极不同种元素电解液，如铁/铬电解液、多硫化钠/溴电解液、钒/溴电解液、锌/溴电解液等，其共同缺点是由于不同种类离子透过离子交换膜的渗透而产生的交叉污染，降低电池性能。

（2）采用正、负极同种元素电解液，如全钒电解液、全铬电解液，以及铁铬、铁钒混合电解液等，虽然可以避免交叉污染，但由于五价钒离子的氧化性强而易造成离子交换膜破坏、铬离子的电极反应可逆性差和污染严重等问题。

上述这些氧化-还原电对的电极电位较低，限制了液流电池开路电压和能量密度的提高。因此，开发高电极电位的氧化-还原电对成为学术界的研究热点。

铁元素储量丰富、价格低廉，氧化腐蚀性低、污染小，但二价铁/三价铁(Fe(II)/Fe(III))电对的电极电位较低，标准电极电位仅为0.77V。L.W.Hruska等在J.Electrochemical Society128(1981)18-25文章中以Fe(II)/Fe(III)为正极，铁单质为负极，组成全铁单液流电池，开路电压只有1.21V，而且铁单质容易与酸反应生成氢气。研究表明，铁络合物会使电极电位向正或负方向移动，从而提高电池的电动势。如三价铁/三乙醇胺络合液的阳极峰电位可以降至-1.0V(相对于标准甘汞电极)以下，络合还可以抑制析氢反应的发生。Y.H.Wen等在Electrochimica Acta51(2006)3769-3775文章中将其用作负极电解液与溴化钠正极组成液流电池，开路电压达到2.0V。但这种铁/溴电解液没有解决交叉污染问题，限制了能量效率的提高(～69.1%)。另外，二价铁与二氮杂菲、联吡啶铁等配位体所形成络合物的阳极峰电位可以升高至0.8V以上。M.H.Chakrabarti等在Electrochimica Acta52(2007)2189-2195文章中采用联吡啶铁络合物在有机溶剂中的多种价态组成全铁液流电池，避免了交叉污染和析氢，理论开路电压高达2.4V，但在有机溶剂中电池的能量效率低于30%。

发明内容

本发明要解决的技术问题是制备一种正、负两极电解液均采用铁络合物水溶液的全铁络合液流电池，具有较高的开路电压、无交叉污染和析氢，从而达到较高的电池效率。

本发明将铁离子与不同种类的络合剂配制成铁络合物水溶液，可以使二价铁/三价铁(Fe(II)/Fe(III))电对的电极电位分别向正或负方向移动。将上述铁络合物分别作为液流电池的正、负极电解液，可以提高电池的开路电压，避免交叉污染。铁络合物还可以抑制析氢反应的发生，提高电池效率。

本发明的技术方案如下：

一种具有高开路电压的全铁络合液流电池，液流电池的正、负极电解液均采用铁络合物水溶液；将铁离子与不同种类的络合剂配制成铁络合物水溶液，将不同种类的铁络合物水溶液分别作为液流电池的正、负极电解液，组成全铁络合液流电池。

进一步特征，正极采用Fe(II)与邻菲啰啉(Phen)的络合液(Fe(II)/Phen)，负极采用Fe(III)与三乙醇胺(TEA)的络合液(Fe(III)/TEA)。正、负极电解液分别储存在电解液储罐中，使用时用蠕动泵输送至电池的正、负电极参与氧化-还原反应。采用石墨毡作为正、负电极，中间为离子交换膜隔开，石墨板为集流板，聚四氟乙烯板为极板。

所述的正极Fe(II)/Phen络合液是指溶解了硫酸亚铁、邻菲啰啉、浓硫酸的水溶液，其中Fe(II)/Phen的浓度为0.1～0.4mol/L，Fe(II)与Phen及H₂SO₄的摩尔比为1:3:2～1:6:10。

所述的负极Fe(III)/TEA络合液是指溶解了硫酸铁、三乙醇胺、氢氧化钠和氯化钠的水溶液，其中Fe(III)/TEA的浓度为0.05～0.4mol/L，Fe(III)与TEA、NaOH及NaCl的摩尔比为1:2:5:1～1:16:20:8。

所述的离子交换膜是指阳离子交换膜，如膜。

本发明的有益效果是：